CN104328292A - 一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高多元铝硅合金合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，属于铝硅合金技术领域，成分按质量百分比计算，Ti为10～14%、Cr为8～10%、Ni为8～10%、Sr为8～10%、Ce为5～7%、La为5～7%、Nb为5～7%、Pr为3～4%、Er为3～4%、Eu为3～4%、Y为3～4%、Ba为3～4%、B为2～3%、Na为2～3%、V为1～2%、余为Al。所述复合细化变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.1~20mm，熔点范围850~1150℃，有效加入量范围为0.2-0.8%。采用本发明复合细化变质剂，能明显提高多元铝硅合金的摩擦磨损性能。

Description

一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂

技术领域

　　本发明属于铸造铝硅合金制备技术领域，特指一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂。

背景技术

高速、节能、环保、安全、舒适是汽车工业发展的永恒主题，而轻量化是实现上诉目标的最直接最有效的途径。铝合金作为一种新型材料，在汽车轻量化建设中得到了广泛的运用。据统计，最近20年来，全球铝合金铸件的总产量平均每年以约3%的速度递增，而总产量的60%～70%是用于汽车工业。这是因为铸造铝合金具有优良的铸造性能，可根据使用目的、零件形状、尺寸精度、数量、质量标准、机械性能等各方面要求和经济效益选择适宜的合金和铸造方法。铸造铝合金大多是采用重力铸造、压力铸造和其他特种铸造法，其生产效率高、制造成本低且可以实现大批量生产。目前，汽车用铝约四分之三为铸造铝合金。铸造铝合金具有优异的铸造性能，能够近终成型、良好的耐腐蚀性能，铸件制造成本低、强重比高，易回收循环利用等优势，是制造汽车发动机构件的首选材料。

众所周知，发动机是汽车的“心脏”，通常发动机的质量占整车重量的20～30%。而缸体又是发动机中最大的铸件，其质量占发动机总重量的25～35%。研究表明：车重每减少10kg，油耗下降1%；轿车发动机重量约180kg，使用铝制缸体后重量减少45kg左右，则油耗可下降4.5%左右。因此，采用铝合金缸体对降低汽车发动机乃至整车重量，推进我国汽车工业节能减排进程都具有重要意义。发动机在工作尤其是启动或停止过程中，零部件处于高温、高压，有时润滑条件不良，甚至伴随固体微粒和腐蚀介质的环境下作高速相对运动，使得零件内部要承受极高的变化剧烈的机械应力和热应力，有时会促使发动机构件局部材料变形进入塑性状态，在长期工作累积下造成零部件材料出现摩擦磨损损伤甚至失效破坏。摩擦磨损属于较严重的材料失效形式，普遍存在于发动机内部众多重要铸件中，如缸体、缸盖和活塞等。因此，想要延长发动机的使用寿命，进一步拓展铝合金材料在汽车发动机上的应用，研究全铝发动机用新型铸造铝合金材料及其摩擦磨损性能具有重要意义。

目前，国内外对铸造铝合金的研究主要集中在熔炼工艺、铸造工艺优化和热处理工艺3个方面，对铸造铝合金成分、组织和力学性能之间的相互关系和作用机理进行了大量的研究，取得了较高的成果和应用理论基础。受汽车发动机轻量化和功率系数大型化发展主流的影响，迫切需要高品质高性能的铸造铝合金，尤其是对铸造铝合金的摩擦磨损性能提出了更高的要求。然而，目前铸造铝合金相关方面的研究和应用还存在不足。

本发明开发出一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂。

发明内容    

本发明开发出一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，其特征为：化学成分按质量百分比计算，Ti为10～14%、Cr为8～10%、Ni为8～10%、Sr为8～10%、Ce为5～7%、La为5～7%、Nb为5～7%、Pr为3～4%、Er为3～4%、Eu为3～4%、Y为3～4%、Ba为3～4%、B为2～3%、Na为2～3%、V为1～2%、余为Al。所述复合细化变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.1~20mm，熔点范围850~1150℃，有效加入量范围为0.2-0.8%（注：该加入量是指占熔炼铝合金炉料总质量的百分比，下文出现加入量含义相同）。

本发明复合细化变质剂辅以多种合金元素，一方面避免了单一细化变质剂对铸造铝硅合金综合性能提高不明显不全面的不足，另一方面改善了同时添加多种细化变质剂工艺较为复杂，控制困难的缺点。加入后，复合细化变质剂中的元素会与铸造铝硅合金发生交互、细化和变质作用，能够充分净化熔体、细化晶粒和强化基体，可显著提高材料的冲击韧性、强度和耐磨性，全面提高铸造铝硅合金材料的使用性能。

上述用于多元铝硅合金材料的复合细化变质剂，化学成分按质量百分比计算优选范围为：Ti为11-13%、Cr为8-9%、Ni为9-10%、Sr为8-9%、Ce为6-7%、La为6-7%、Nb为5-6%、Pr为3.5-4%、Er为3.5-4%、Eu为3.5-4%、Y为3-3.5%、Ba为3-3.5%、B为2.5-3%、Na为2-2.5%、V为1.5-2%、余为Al。复合细化变质剂加入量的优选范围：0.4-0.6%。

具体实施方式

本发明磨损试验在M-2000型摩擦磨损试验机上进行。试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm，摩擦副尺寸：?40mm×10mm的GCr15圆环。磨损性能用质量磨损率来表达。每个试样进行磨损试验前和后都要在超声波清洗机中进行清洗，清洗液是浓度为20%的丙酮水溶液，清洗时间为30min。然后在60℃保温炉中进行烘干2h，最大程度的降低试样的表面污染程度。最后待试样冷却至室温后及时进行称重。称重采用MA110型电子天平，其精度为0.1mg。试验开始前，先进行30min的磨合试验，磨合完毕后测定磨损前试样的质量，然后加载至预定的载荷进行相应时间的磨损试验。磨损试验结束后，测定试样的质量，并计算出试样的质量磨损率。为保证实验过程中试样处在连续油润滑状态，润滑油选择30^#机油，每分钟滴定25滴油。试验中，上面的摩擦磨损试样固定不动，下面的摩擦副试样转动，即试样进行的是油润滑-边界摩擦-滑动摩擦磨损试验，摩擦副转速为200 r/min。

实施例1 

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg、Zn和复合细化变质剂以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在775℃下熔化后降温至735℃并加入Mg和Zn，然后加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，Ti为10%、Cr为8%、Ni为8%、Sr为8%、Ce为5%、La为5%、Nb为5%、Pr为3%、Er为3%、Eu为3%、Y为3%、Ba为3%、B为2%、Na为2%、V为1%、余为Al），加入量为0.2%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%，完成后静置10min进行浇注，浇注温度715-725℃。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm。磨损试验设定载荷为500N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表1所示。磨损试验设定载荷为1000N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表2所示。

实施例2 

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg、Zn和复合细化变质剂以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在775℃下熔化后降温至735℃并加入Mg和Zn，然后加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，Ti为14%、Cr为10%、Ni为10%、Sr为10%、Ce为7%、La为7%、Nb为7%、Pr为4%、Er为4%、Eu为4%、Y为4%、Ba为4%、B为3%、Na为3%、V为2%、余为Al），加入量为0.8%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%，完成后静置10min进行浇注，浇注温度715-725℃。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm。磨损试验设定载荷为500N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表1所示。磨损试验设定载荷为1000N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表2所示。

实施例3 

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg、Zn和复合细化变质剂以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在775℃下熔化后降温至735℃并加入Mg和Zn，然后加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，Ti为11%、Cr为8%、Ni为9%、Sr为8%、Ce为6%、La为6%、Nb为5%、Pr为3.5%、Er为3.5%、Eu为3.5%、Y为3%、Ba为3%、B为2.5%、Na为2%、V为1.5%、余为Al），加入量为合金液总质量的0.4%。随后采用市售的除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%，完成后静置10min进行浇注，浇注温度715-725℃。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm。磨损试验设定载荷为500N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表1所示。磨损试验设定载荷为1000N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表2所示。

实施例4 

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg、Zn和复合细化变质剂以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在775℃下熔化后降温至735℃并加入Mg和Zn，然后加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，Ti为13%、Cr为9%、Ni为10%、Sr为9%、Ce为7%、La为7%、Nb为6%、Pr为4%、Er为4%、Eu为4%、Y为3.5%、Ba为3.5%、B为3%、Na为2.5%、V为2%、余为Al），加入量为合金液总质量的0.6%，随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%，完成后静置10min进行浇注，浇注温度715-725℃。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm。磨损试验设定载荷为500N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表1所示。磨损试验设定载荷为1000N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表2所示。

对比例   

    材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在775℃下熔化后降温至735℃并加入Mg和Zn，然后加入市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%，完成后静置10min进行浇注，浇注温度715-725℃。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm。磨损试验设定载荷为500N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表1所示。磨损试验设定载荷为1000N，进行不同磨损试验时间后试样的质量磨损率如表2所示。

    通过表1和表2可以看出，与常规处理工艺得到的对比例相比，经过本发明的复合细化变质剂处理的铸造铝硅合金的摩擦磨损性能得到大幅度提高。其中，复合细化变质剂采用优选成分进行处理的实施例3和4合金的摩擦磨损性能比添加不同含量的非优选成分复合细化变质剂进行处理的实施例还有进一步的提高。

表1 载荷500N时不同磨损试验时间质量磨损率数据

 

表2 载荷1000N时不同磨损试验时间质量磨损率数据

Claims (8)

1.一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，其特征为：成分按质量百分比计算，Ti为10～14%、Cr为8～10%、Ni为8～10%、Sr为8～10%、Ce为5～7%、La为5～7%、Nb为5～7%、Pr为3～4%、Er为3～4%、Eu为3～4%、Y为3～4%、Ba为3～4%、B为2～3%、Na为2～3%、V为1～2%、余为Al；

所述复合细化变质剂为块状灰白色合金，粒度范围0.1~20mm，熔点范围850~1150℃，有效加入量范围为0.2-0.8%。

2.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，Ti的优选成分为11～13%。

3.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，Cr的优选成分为8～9%。

4.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，Ni的优选成分为9～10%。

5.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，Sr的优选成分为8～9%。

6.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，稀土元素的优选成分为Ce为6～7%、La为6～7%、Nb为5～6%、Pr为3.5～4%、Er为3.5～4%、Eu为3.5～4%、Y为3～3.5%。

7.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，其他元素的优选成分为Ba为3～3.5%、B为2.5～3%、Na为2～2.5%、V为1.5～2%。

8.根据权利要求1所述一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的复合细化变质剂，复合细化变质剂加入量的优选范围是：0.4～0.6%。